（计算机应用技术专业论文）公路隧道监控系统集成平台的设计.pdf

摘要 近年来，我国道路交通建设取得了明显的进步，利用地上立交和地下隧道 的设计模式来打造立体交通网已经成为各个城市交通建设发展的新趋势。这其 中关于公路隧道的建设发展得尤为迅速，无论是城市公路隧道还是高速公路隧 道，在隧道工程建设方面已经克服了诸多环境地势等方面带来的影响。然而， 为了提高公路隧道内行车的安全性，为了增强对隧道内突发事故的处理能力， 公路隧道在监视控制管理方面同样需要得到重视，一个完善的公路隧道应该具 备一个高度集成化、自动化、智能化的监控系统，从而保证隧道运营的高效与 安全。 本论文以作者参与设计并实现的武汉市中山路隧道监控系统为例，讨论了 当前国内主流的公路隧道监控系统的设计模式，分析了公路隧道监控系统的集 成方法，指出了当前公路隧道监控系统的集成主要集中在对工业控制类系统的 集成，而对于异构系统间的信息融合却没有统一标准。针对这种现状，本文提 出了通过组态软件和o p c 技术两级集成的方法设计公路隧道监控系统的集成平 台，从而为公路隧道监控系统的通用集成、智能决策、科学管理提供了可行性 依据，本文具体分析了集成平台中两级集成的功能和职责，以及两级集成之间 如何进行连接。 基于组态软件的一级集成，本文介绍了组态软件的发展背景及其功能特点， 以组态王k i n g v i e w 软件在武汉市中山路隧道监控系统中的应用为例，分析了工 业控制类设备如何通过p l c 和c a n 总线在现场设备层集成控制的方法，给出了 下位机p l c 和k i n g v i e w 软件开发的系统之间的通信方案，以及k i n g v i e w 与数 据库的访问方法。最后详细描述了k i n v i e w 软件在交通检测、交通控制、照明控 制、风机控制等子系统集成方面的运用，实现了工业控制类系统的集成。 基于o p c 技术的二级集成，本文介绍了o p c 技术的发展背景以及o p c 规 范的内容，具体分析了其中运用最广泛的o p cd a 数据访问规范的体系结构以 及数据访问方式。通过运用图灵公司的o p c 客户端开发工具包说明了o p c 客户 端的开发方法，最后用k i n g v i e w 软件提供的o p c 服务器和0 p c 客户端进行连 接测试，验证了两级集成方法的可行性。 关键字：公路隧道，两级集成，组态软件，k i n g v i c w ，o p c a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r o a dc o n s t r u c t i o nh a sm a d es i g n i f i c a n tp r o g r e s s ，i nt h eu s eo f g r o u n do v e r p a s sa n du n d e r g r o u n dt u n n e ld e s i g np a u e r n st oc r e a t et h r e e d i m e n s i o n a l t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m et h ev a r i o u su r b a nt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o na n d d e v e l o p m e n to fn e wf i e n d s a m o n gt h e s e ，t u n n e lc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n tw a s p a r t i c u l a r l yr a p i d ，w h e t h e ru r b a nt u n n e lo rh i g h w a yt u n n e l ，t u n n e lc o n s t r u c t i o nh a s a l r e a d yo v e r c o m em a n ye n v i r o n m e n t a la n dt e r r a i ni m p a c t h o w e v e r , i no r d e rt o i m p r o v er o a dt r a f f i cs a f e t yi nt u n n e l sa n de n h a n c et h et u n n e li n c i d e n t so fp r o c e s s i n g p o w e r , t u n n e lm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ta l s or e q u i r e sm t e m i o n ap e r f e c tr o a d t u n n e ls h o u l dh a v eah i g hd e g r e eo fi n t e g r a t i o n ，a u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g s y s t e m ，t oe n s u r ee f f i c i e n ta n d s a f eo p e r a t i o no ft h et u n n e l t h i st h e s i si n v o l v e di nt h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fw u h a nc i t y , z h o n g s h a nr o a dt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mc a s es t u d y , d i s c u s s e dt h ec u r r e n t d o m e s t i cm a i n s t r e a mr o a dt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g np a t t e r n s ，a n a l y s i so ft h e t u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m si n t e g r a t i o na p p r o a c h ，p o i n t e do u tt h et u n n e lc o n t r o ls y s t e m i n t e g r a t e d f o c u so ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mi n t e g r a t i o n ，b u tf o ri n t e g r a t i o no f i n f o r m a t i o na m o n gh e t e r o g e n e o u ss y s t e m sa r en o ts t a n d a r d i z e d i nv i e wo ft h i s s i t u a t i o n ，t h i sp a p e rt h r o u g ht h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n do p ct e c h n o l o g y i n t e g r a t i o nd e s i g n e dr o a dt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mi n t e g r a t i o np l a t f o r m ，t h u st h e r o a dt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mp r o v i d eaf e a s i b l eb a s i si nu n i v e r s a li n t e g r a t i o n ， i n t e l l i g e n td e c i s i o n m a k i n ga n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n t t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h e i n t e g r a t e dp l a t f o r mt w o s t a g ei n t e g r a t i o nf u n c t i o n sa n dr e s p o n s i b i l i t i e s ，a n dh o wt h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h et w oi n t e g r a t e d b a s e do no n e s t a g ei n t e g r a t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h i sp a p e rd e s c r i b e d t h ed e v e l o p m e n to fb a c k g r o u n da n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e f e a t u r e s ，g i v e na n e x a m p l ef o rk i n g v i e ws o f t w a r ei nw u h a nc i t y , z h o n g s h a nr o a dt u n n e lm o n i t o r i n g s y s t e m ，a n a l y s i so fi n d u s t r i a lc o n t r o le q u i p m e n tt h r o u g hp l ca n dc a nb u si nt h e f i e l dd e v i c el e v e li n t e g r a t e dc o n t r o l ，g i v e nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl o w e r m a c h i n ep l ca n dk i n g v i e ws o f t w a r es y s t e m ，k i n g v i e wa n dd a t a b a s ea c c e s sm e t h o d s f i n a l l yad e t a i l e dd e s c r i p t i o nh o w t ou s ek i n v i e ws o f t w a r ei nt r a f f i cd e t e c t i o n t r a f f i c l i c o n t r o l ，l i g h t i n gc o n t r o la n df a nc o n t r o ls u b s y s t e mi n t e g r a t i o n ，t oa c h i e v et h ek i n do f i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mi n t e g r a t i o n b a s e do na n o t h e ri n t e g r a t i o no fo p c t e c h n o l o g y , t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h eo p c t e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n da n dc o n t e n to fo p cs p e c i f i c a t i o n s ，d e t a i l e d a n a l y s i so fw h i c hu s et h em o s te x t e n s i v eo ft h eo p cd as p e c i f i c a t i o na r c h i t e c t u r e a n dd a t aa c c e s sm e t h o d t h r o u g ht h eu s eo ft u r i n g so p cc l i e n td e v e l o p m e n tt o o l k i t e x p l a i n so p c c l i e n td e v e l o p m e n tm e t h o d s ，a n df i n a l l y ，k i n g v i e wo p cs e r v e ra n d o p cc l i e n tc o n n e c t i v i t yt e s tv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft w o - s t a g ei n t e g r a t i o nm e t h o d k e y w o r d s ：r o a dt u n n e l ，t w o - s t a g ei n t e g r a t i o n ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，k i n g v i e w ， o p c l l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： f ， 聋建 日期：兰兰! 兰：t 一 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名)师( 签 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章引言 我国公路交通建设的发展日新月异，公路交通运营方式丰富多样，其中公 路隧道交通发展十分迅速，在交通运营中起到的作用越来越大。根据中华人民 共和国交通运输部近几年最新的的统计公报显示分析1 1 】，我国公路隧道近年来的 建设情况如表1 - 1 所示。无论是高速公路中常见的长度大于1 0 0 0 米的长隧道以 及长度超过3 0 0 0 米的特长隧道，还是城市公路隧道中常见的长度小于1 0 0 0 米 的中隧道和短隧道，公路隧道在道路建设中的运用都越来越普遍，这主要得益 于公路隧道所具有的土地复合利用率高、道路路面景观不被破坏、行车里程得 到缩减等特剧引。公路隧道交通的发展极大地缓解了道路交通的压力，不但消除 了城市道路交叉口车流、人流的相互影响，使车流能够快速通过道路，减少道 路被占用时间，而且克服了高速公路建设中遇到的诸多地势环境等情况带来的 不利影响。随着沿江城市中以武汉为首的长江公路隧道建成通车，公路隧道在 交通规划中覆盖面越来越广，公路隧道可以说是构建立体交通网的重要环节。 然而与普通路面交通相比，公路隧道中特别是中、长和特长隧道存在着行 车空间有限、内外光强差大、空气流通不畅、事故处理效率低等缺点，这些都 给公路隧道的行车环境造成不利影响1 3 j 。为了提高公路隧道在紧急情况下的事故 处理能力以及增强公路隧道内行车的安全性，实现公路隧道的智能化管理，开 发设计具有集成化的隧道智能监控系统是必不可少的。根据国际惯例的设计要 求，建设隧道的同时必须要开发相配套的监控管理系统，同时隧道监控系统是 否优质高效也已成为衡量公路隧道建设是否完善的一个重要标型4 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1我国公路隧道建设情况( 2 0 0 5 年一2 0 0 8 年) 、隧道种类 牵劈 特长隧道长隧道中隧道短隧道总计 1 2 0 处7 4 3 处5 4 2 6 处 2 0 0 8 5 2 5 7 万延米1 2 2 6 2 万延米 3 1 8 6 4 万延米 8 3 处6 0 7 处7 5 8 处3 2 2 5 处4 7 6 3 处 2 0 0 r 7 3 6 1 0 万延米1 0 0 1 1 万延米5 3 6 8 万延米6 5 6 6 万延米2 5 5 5 5 万延米 4 9 处4 4 4 处5 7 7 处2 7 1 8 处 3 7 8 8 处 2 0 0 6 1 9 1 8 万延米7 2 3 2 万延米4 0 9 4 万延米5 1 7 5 万延米1 8 4 1 8 万延米 4 3 处 3 8 1 处4 8 5 处1 9 8 0 处2 8 8 9 处 2 0 0 5 1 6 5 9 万延米6 2 5 1 万延米3 4 1 8 万延米3 9 4 3 万延米1 5 2 7 0 万延米 1 2 课题来源和研究的意义 本课题来源于“武汉市中山路地下通道监控系统 。中山路隧道位于武汉市 武昌火车站站前，全长5 4 0 多米，属于中型隧道，该路段交通流量大，隧道的 建成通车极大地缓解了交通压力。 近几年以来，公路隧道监控系统的发展呈现出集成化、智能化、组态化、网 络化等特点，然而由于公路监控系统应用的不断深入，系统规模的不断扩大， 各系统之间的集成与多种信息融合成为必需要解决的问题之一【5 1 。系统集成和信 息融合可以缩短系统开发的时间，避免功能重复建设、减少重复投资；有利于 资源集中使用和多方信息资源共享；有利于系统的科学管理、集中维护以及系 统的扩展和升级换代。开发一套智能的公路隧道监控系统结合分析决策在一起 的软件集成平台是解决上述问题的可行性方案之一。 1 3 课题研究的国内外现状 目前，无论是国内还是国外j 在城市街道、公路隧道、公共社区、车站、 码头等大型公共建筑的监控方面已经积累了很多经验，并且还在不断地将先进 的计算机处理技术、信息技术、数据通信传输技术、自动控制技术、人工智能 及电子技术等有效地综合运用到监控系统建设中。其中在公路隧道监控方面， 国外的发展开始得较早，到现在己经发展得较完善。美国、德国以及日本等发 达国家最具有代表性，如美国的l o n w o r k s 分布式公路隧道监控系统( t m c s l 技术是美国e c h e l o n 公司2 0 世纪9 0 年代中期推出的一种用于自动控制领域的网 络技术；德国p h o e n i xc o n t a c t 公司2 0 世纪8 0 年代中期推出的i n t e r b u s 现场 总线技术；日本o m r o n 公司2 0 世纪7 0 年代中期推出的c o n t r o l l e rl i n k 环网 2 武汉理工大学硕士学位论文 控制技术，在隧道监控方面都有广泛的应用1 6 j 。 国内公路隧道监控系统虽然已经在各种公路隧道建设中进行了普及应用， 但是基于公路隧道监控系统的若干子系统在系统集成以及信息融合方面做得还 不够完善，特别是对异构系统没有通用的设计标准。而在未来的公路隧道监控 系统建设中，单纯的控制管理是不够的，对公路隧道进行监测、控制、灾害报 警和预测，达到预防隧道发生火灾和交通事故等灾害，保证隧道内交通的安全 运行才是关键l _ 刀。为不同的公路隧道设计通用的公路隧道集成平台，将所有采集 到的信息进行整合分析，从传统的交通监测到主动对交通管理进行决策，将是 公路隧道监控系统智能化发展的方向，这就需要在软件开发上运用模块化软件 设计的方法进行迭次递增开发，便于系统的扩展和维护；在模块化的基础上开 展个性化集成研究，主动适应用户要求的状况；在灾害预警机制中运用智能计 算，利用人工神经网络和模糊数据处理技术对灾害进行预测；在智能决策系统 中进行信息采集、数据挖掘，及时发布交通诱导信息，充分利用交通资源。 1 4 课题研究的目标 本课题的研究目标是通过分析公路隧道监控系统的构成和现状，总结出当 前公路隧道监控系统存在的问题，提出以组态软件进行一级集成实现工业控制 类系统的集成，以o p c 技术进行二级集成实现集成平台对异构系统信息的融合。 最后通过利用o p c 客户端开发工具包设计的客户端接口与组态软件提供的o p c 服务器进行连接测试，验证公路隧道监控系统集成平台两级集成设计方法的可 行性。 1 5 论文结构 本文共分7 章，具体的组织结构如下所示： 第1 章是引言部分，概述了课题的背景，介绍了课题来源和研究的意义， 分析了国内外公路隧道监控系统的现状及其发展趋势，给出了论文的研究目标。 第2 章介绍了本论文在集成设计中所需要使用的两项关键技术：组态软件 和o p c 技术。 第3 章概述了公路隧道监控系统的体系结构，论述了集成平台两级集成设 计思想，对两级集成的模式进行了解析。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章论述了工业控制类子系统在现场设备控制层的集成方式，利用p l c 和c a n 总线完成了k i n g v i c w 对现场设备的控制，对k i n g v i e w 与数据库的访问 方式进行了介绍。 第5 章论述了k i n g v i e w 软件对工业控制类子系统的设计方法，对交通检测、 交通控制、照明控制、风机控制等子系统进行了详细设计。 第6 章概述了o p cd a 数据访问规范的原理以及数据访问方式，介绍了利 用o p c 客户端开发工具包进行o p c 客户端开发的方法，通过k i n g v i e w 的o p c 服务器和o p c 客户端的连接测试，验证了集成平台通过o p c 客户端对异构系统 进行集成的方法。 第7 章总结了全文所做工作，并对公路隧道监控系统集成平台的完善以及 进一步发展方向进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 组态软件 第2 章相关集成技术 在集成平台中，组态软件主要解决公路隧道工业控制类子系统的集成。根 据本项目隧道监控系统的设计需求，最终我国亚控公司自主开发设计的组态王 k i n g v i e w 6 5 2 软件被选定成为了本项目的开发工具，具体集成设计情况将在 第五章详细介绍。 2 1 1 组态软件的背景 组态软件使用户通过简单的分块组合的方式构建工程所需要的一系列软件 功能，从而避免繁复的编写计算机程序的工作。组态软件的出现和应用，极大 地提高了设计人员的开发效率以及工程的可靠性，使得自动控制领域的信息化 发展取得了极大的进步。上世纪八十年代中期国外的组态软件开始出现，在八 十年代末自九十年代初国外的软件开始进入中国市场1 8 j 。 相比国外的组态软件，国内组态软件的价格非常具有优势，且后期技术支 持和维护非常全面，特别是在一些中小型工业控制系统中成功运用，使得其逐 渐形成了一定的知名度和影响力。国内组态软件的主要代表有：三维力控、组 态王k i n g v i e w 、世纪星、紫金桥r e a l i n f o 等。 随着工业控制化水平的迅速提高和计算机在工业领域的广泛应用，用 户对工业控制方面标准更加严格。对比以前的工业控制化软件，工控组态软 件的特点如表2 1 所示。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1工控组态软件与传统工控软件的对比 工控组态软件传统的工控软件 特点 系统配置灵活，可根据应用规模适应各种系统配置复杂，对于不同规模的系统需 适应性 大、中、小型系统。要重新设计。 当系统结构或者用户需求发生改变，方便完系统维护不方便，对于软件的更新和升 可维护性 成软件的更新和升级。级不能及时处理。 系统模块化任意组合，且任何模块和功能都更加强调编程语言技术，对功能没有封 封装性 被封装起来，方便用户使用。装，不能直接调用，需要独立设计。 不受行业限制，提供多种标准，便于与底层针对不同的硬件设备需要独立开发驱 开放性 设备通讯。 动程序。 方便数据采集和输出，对实时数据容易存储图形显示和人机对话功能不够完善，难 实时性 和检索，便于实时通讯。以对实时数据进行交互。 系统工作稳定，用户无需顾及底层程序开程序设计容易出现漏洞，故障诊断和修 安全可靠性 发，且系统具备故障诊断和故障恢复功能复比较复杂。 2 1 2kin g vio w 软件介绍 k i n g v i c w 是亚控科技公司研发的专门针对中小型项目用于监视与控制自动 化设备和过程的产品。从k i n g v i e w 产生开始，其易学易用、功能齐全、性价比 高的产品特点使其十分畅销，特别是在中国早已成为组态软件产品的代表。 k i n g v i c w 功能齐全，主要用于工业自动化的过程控制和管理监控，k i n g v i e w 为 系统工程设计人员提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快 速构建，并运用到工业控制领域，来采集、传输和记录实时信息，使用户可以 实时查看和控制工业控制过程。 根据公路隧道监控系统的项目特点，结合组态王k i n g v i e w 在该行业中监控 管理的优势地位，本课题工业控制类的系统集成决定应用组态王k i n g v i e w 6 5 2 来实现。k i n g v i e w 6 5 2 软件是在w i n d o w s2 0 0 0 中文操作系统平台上运行的 中文界面化人机界面软件，其功能丰富、使用方便、性能出色并且运行稳 定1 9 l 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 20 p c 技术 构建通用的公路隧道监控系统集成平台，其中对异构系统的集成将是一个 需要解决的重要问题，在公路隧道监控领域中，整个监控系统通常需要由分 散的各个子系统构成，并且各个子系统往往采用不同厂家的不同设备和方 案。构建集成平台就需要将这些子系统集成，来架构通用的监控系统，这 样的监控系统需要解决各分散子系统间的数据交换和通讯，因此需要各子 系统具备统一的开放接口。o p c 技术正是为了使软件接口实现标准化，方 便数据交换和通讯而产生的。 2 2 1 0 p c 技术出现背景 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，用于过程控制的o l e ) 实质是一个工业标 准，是以微软o l e ( 对象链接和嵌入，现在的a c t i v ex ) 、组件对象模型c o m 、 分布式组件对象模型d c o m 技术为基础，基于w i n d o w s 操作平台，为工业应用 程序提供高效的信息集成和交互功能的组件对象模型接口标准i 删。 o p c 是一个工业标准，它是通过0 p c 基金会( o p c f o u n d a t i o n ，o p c 1 0 这个 国际组织来进行管理的，从成立开始o p c 基金会会员逐年增加，到目前为止， 在全球范围内已有近4 5 0 家公司加入了这个国际标准组织，包括世界上所有主 要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司，由控制设备厂商和控 制软件供应商提供的o p c 产品也日益增加，目前为止己有8 0 0 种以上的o p c 服 务器产品和o p c 应用程序出现在由o p c 基金会发行的o p c 产品目录上1 1 。 2 2 20 p c 规范的介绍 o p c 提供了一种规范标准，通过这种标准系统能够以统一方式从数据源取 得数据并将其传递给任何客户应用程序，其本质是基于硬件提供者和软件设计 者而实施的一系列规范标准，只要按照这些标准，数据交互对两者来说都是开 放的，硬件提供者无需考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件设计者也无 需了解硬件的实质和操作程序，o p c 规范包括一整套接口、属性和方法的标准 集，主要用于过程控制和制造业自动化系统。o p c 规范由o p c 基金会协商制定 和发布，表2 2 概括了o p c 规范所涉及的内掣1 2 j 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2o p c 规范 规范版本内容 d a t aa c c e s s v 1 0 ，2 0 ，3 0数据访问规范 a i a r ma n de v e n i s v 1 o ，1 1 0 ，2 o 报警与事件规范 h i s t o r i c a ld a t aa c c e s s v 1 0 ，1 2 0 历史数据访问规范 b a t c h v 1 0 ，2 0批处理规范 s e c u r i t y v 1 o 安全性规范 o p cx m l d av 1 o 过程数据的x m l 规范 o p cd a t ae x c h a n g ev 1 o 服务器数据交换规范 c o m p l i a n c e v 1 o 数据访问标准的测试工具规范 ( 1 ) o p cd a t a a c c e s s ，o p c 第一个规范，向客户提供需要实时访问控制数据 的方法，实现与实时数据的同步、异步数据读写和数据自动更新【1 3 】。 ( 2 ) o p ca l a r ma n de v e n t s ，提供了必要时的报警和事件通知能力，当o p c 服务器发生异常及0 p c 服务器设定事件到来时，立刻向o p c 客户程序发送通知 的一种机制【1 4 l 。 ( 3 ) o p ch i s t o r i c a ld a t aa c c e s s ，提供了访问历史数据的能力，用来给支持 o p c 历史数据访问规范的客户端访问历史数据的的服务器f 1 习。 ( 4 ) o p cb a t c h ，提供了一种存取实时批量数据和设备信息的方法，该规范 的目的是使异构系统环境下不同的生产控制方案能有效地协同工作【1 6 1 。 ( 5 ) o p cs e c u r i t y ，提供了如何控制客户端对服务器的访问，设置不同权限 以保护重要信息和阻止未授权用户对过程控制参数的修改。 ( 6 ) o p cx m l d a ，依靠x m l 技术可以成功地增加o p c 技术的运用范围， 使o p c 技术不仅仅用于w i n d o w s 操作平台，更能够在i n t e r 网访问数据，因此 用户可以得到广泛的选择自由i ”j 。 ( 7 ) o p cd a t ae x c h a n g e ，增强了通过服务器到服务器的数据交换能力，提 高了数据交换的效率，可以看作o p c 数据访问规范的扩展【1 9 】。 ( 8 ) o p cc o m p l i a n c e ，提供了自动化测试的工具，整个测试过程不用人工干 预。 o p c 规范主要以组件对象模型c o m 和分布式组件对象模型d c o m 技术为基 础，采用的是客户、服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式。o p c 服务器一般由不同控制设 备的供应者设计提供，它们将设备驱动程序和通信程序封装成独立的o p c 服务 器，向o p c 客户端不断地提供数据。而o p c 客户端般由需要使用的客户自己 开发，只需要遵循相同的规范就能读取o p c 服务器中的数据，从而实现数据的 灵活配置和多种异构系统的真正集成。o p cc l i e n t 和o p cs e r v e r 的关系如图2 - 1 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1o p cc l i e n t 和o p cs e r v e r 的关系 以前传统的控制系统集成平台，由于对驱动程序的要求各不相同，硬件设备 供应商不可能为所有的应用系统开发商提供驱动程序，然而为了实现和现场设 备信息通讯，那么就需要每一个应用系统的设计者自己编写专用的接口函数和 各种现场设备的驱动程序，相当于每一个客户端都要为每一个数据源编写一 个驱动程序，这显然会导致重复开发。与此同时由于现场设备的种类繁多，一 旦现场设备产品需要更新升级，就会带来访问冲突，这样往往会加重给各应 用系统设计者的工作负担。传统控制系统信息访问方式如图2 2 所示。 控制系统集成平台 应用系统a 应用系统b应用系统c jl xi 夕 ol 弋可芦 ol 一一 1，、， r 驱动程序a驱动程序b驱动程序c 硬件设备a硬件设备b硬件设备c 现场设备层 图2 - 2 传统控制系统信息访问方式 9 武汉理工大学硕士学位论文 如果采用o p c 标准接口，针对硬件设备的驱动程序将不再由应用系统开发 者设计，而是由硬件设备供应者按照o p c 规范，将各种现场设备驱动程序和通 讯程序封装成独立的o p c 服务器，通过o p c 接口与上层各应用系统通信，这样 现场设备性能的改变也不会影响上层各应用系统的使用，应用系统开发者将不 必因现场设备的改变而重写驱动程序。采用o p c 规范，便于系统的组态化，特 别是集成平台中存在的各种异构系统，其系统设计复杂性会大大降低，不但可 以大大缩短应用系统软件开发周期，而且还提高了软件运行的可靠性和稳定性， 便于系统的升级与维护。无论现场硬件设备存在的形式如何，客户都将按统一 标准去访问，这就实现了系统开放性，为异构系统信息集成提供了切实可行的 方法。采用o p c 技术的控制系统信息访问方式如图2 3 所示。 控制系统集成平台 应用系统a应用系统b应用系统c o p c 客户端 0 p c 客户端 o p c 客户端 jljl jl i o p c 接n 1r1r r o p c 服务器o p c 服务器o p c 服务器 硬件设备a硬件设备b硬件设备c 现场设备层 图2 3采用o p c 技术的控制系统信息访问方式 o p c 作为一种己经广泛推广的控制系统领域软硬件接口的数据通讯标准， 其技术发展得十分迅速，同时也受到了国内系统集成行业足够的重视，无论是 作为用户还是系统集成的硬软件提供者和开发者，一样都在生产设计的各个环 节越来越广泛运用o p c 技术。国内许多工控公司都纷纷在自己的产品中增加 o p c 特性，包括为应用控制软件添加o p c 客户端的接口，为现场硬件设备提供 o p c 服务器等。特别是国内的一些工控软件设计公司也充分利用o p c 技术来增 强和扩展自己的软件功能，例如北京亚控科技发展有限公司的组态王 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 k i n g v i e w 6 5 2 组态软件就可以既作为o p c 服务器，又可以作为o p c 客户程序， 其在工控领域的运用面将进一步扩到刎。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章集成平台两级集成设计方案 本章从课题的来源武汉市中山路地下通道监控系统入手，对现阶段的公路 隧道监控系统的体系结构进行了分析，对公路隧道监控系统所涉及的子系统进 行了合理化分类以及介绍了各个子系统的详细功能，指出现阶段公路隧道监控 系统集成的不完善性，从而提出通过组态软件和o p c 技术两级集成的方案对公 路隧道监控系统的集成进行优化。 3 1 公路隧道管理概述 本课题涉及到的项目是武汉市中山路地下通道，它是一个具有代表性的城 市公路隧道，其采用的设计方法是双向四车道，中间用隔离墙分隔的模式，这 种设计方法在国内城市公路隧道以及高速公路隧道中是最常见的，同时武汉市 中山路地下通道全长达到5 4 0 多米，这也是属于城市公路中运用最普遍的中型 公路隧道。武汉市中山路地下通道所处的地理位置是在武汉市武昌火车站站前 的中山路，其属于武汉市交通要道，该路段区域车流量和人流量都特别大，这 给交通疏导带来的管理问题十分严重。在隧道没有建成前，该路段交通杂乱， 特别是在武昌火车站客流高峰期，出站和进站的行人与过往车辆的抢道占道问 题非常严重，有限的道路路面拥挤不堪，道路利用率十分低下，环境影响恶劣， 为武汉市构建资源节约型、环境友好型的两型社会城市带来了很大的负面影响， 而在隧道建成投入运营后，整个地下通道和武昌火车站地下空间构成了一个有 机整体，隧道交通和路面交通组成了一个立体交通网，不仅使道路空间被充分 利用，该路段疏导能力更得到提升，而且美化了路面环境，一改往日脏、乱、 差的现象。 然而如果光有一条公路隧道而没有一个高效智能化的公路隧道监控管理系 统，不但难以合理化控制和管理隧道内交的通以及环境，而且对隧道内的突发 事故也难以及时有效的解决，所以建设一个优质公路隧道监控系统是十分必要 的。公路隧道监控系统需要实时对隧道内交通情况和环境情况进行监控，通过 交通信号灯指引车流前进；通过c o i 检测器判断隧道内环境，适时开启风机 保证隧道内空气环境质量；通过照明设备，合理调节隧道内外光线差，避免光 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 强差过大导致司机行车的不安全；通过水泵设备及时排除隧道积水：通过隧道 广播和紧急电话，及时发布信息和接收信息；通过感温光栅探测隧道是否发生 火灾，如果发生立即打开消防装置；通过在全隧道沿线安装摄像装置，保证隧 道全程图像视频记录，便于第一时间发现问题解决问题。 3 2 公路隧道监控系统体系结构 考虑到公路隧道的本质特征应具备有环境舒适性、交通安全性以及管理稳 定性，一个智能化的公路隧道监控系统需要对照明、通风、防火、排水、交通 监视控制等方面的监控管理提出高标准高要求。就目前已建好的公路隧道情况 来看，在我国公路隧道总体的建设技术水平已经相对较高，不但存在公路和地 铁的立交式隧道，还存在江底、海底等大跨度隧道，可以说建设公路隧道的技 术水平已经能够对各种复杂路面和恶劣环境带来的影响进行克服。然而，与之 配套的隧道监控系统的发展较为缓慢，特别是在系统集成方面不够完善，造成 系统重复开发的情况比较多。一个完善的公路隧道监控系统需要利用先进的控 制理论和监控设备，保持人、车以及路三者的和谐统一，防患事故于未然。作 为考核公路隧道运营状况最重要的指标，公路隧道监控系统的优劣直接影响到 交通资源是否节约合理利用，隧道内外环境是否友好保护等。 公路隧道监控系统是一个需要高度集成化管理的监视控制类系统，其内部 要运用到的异构子系统应采取集成化设计，不仅能够提高监控系统的使用效率， 而且对整个公路隧道监控系统的安全稳定运行也至关重要。通常情况下，公路 隧道监控系统按监控管理职责主要可以分为隧道交通管理、隧道环境管理及隧 道通信管理三大类系统，其中隧道交通管理需要包含交通检测系统和交通控制 系统，隧道环境管理一般包含照明控制系统、风机控制系统、c o i 检测系统、 火灾报警系统、水泵监控系统等，隧道通信管理包主要含视频监控系统、紧急 电话与隧道广播等。公路隧道监控系统的体系结构如图3 - 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 1公路隧道监控系统体系结构 以上公路隧道监控系统体系结构主要是针对具有普遍代表性的各种子系统 进行的结构划分，实际上，根据各种特殊公路隧道的建设要求，公路隧道监控 系统还可能存在其它类型的监控子系统，本文将不再一一介绍。 ( 1 ) 交通检测系统 交通检测系统主要涉及到的交通检测信息包括：隧道内双向四车道中各个 车道在指定的一段时间里同一行驶方向上的车流量、被车辆占用的实时情况、 车辆经过整个隧道速度均值，这些信息均需要实时检测，它们主要有埋在隧道 路面下的环形线圈提供信息来源，交通检测系统是隧道交通管理中最基本的系 统，在任何一个隧道监控系统中都必不可少。 ( 2 ) 交通控制系统 为了合理疏导隧道内的交通，对隧道内交通流进行控制十分重要。交通控 制主要是通过隧道内的交通信号灯和车道灯来发出指示，如果隧道内车流正常， 交通信号灯一直显示绿色可通行状态；如果隧道行车发生堵塞时，需要和路面 交通配合调度，这时信号灯就需要显示红色停止状态，控制车流前进：如果因 为道路施工、机电检修、交通事故等原因需要关闭车道，可以通过车道灯显示 车道关闭状态，然后在另外的通道内通过车道灯设置双向通车指示。隧道内的 交通信号灯和车道灯通常有自动控制和手动控制两种控制方式。 ( 3 ) 照明控制系统 由于隧道内外光强差十分明显，容易给驾驶员带来视觉影响，从而造成行 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 车危险，所以隧道内必须通过照明设备控制调节隧道内外的光强差，让光线从 外到内和从内到外都能够合理过度。照明控制系统是通过对隧道内的照明设施 分组进行控制的，这样不但能够提高控制效率，而且通过交替工作可以延长设 备的使用寿命。照明控制系统里面还根据季节变化以及每天早、中、晚时段的 光线特点，设置了很多控制预案，使系统能够更加人性化智能管理。除了正常 照明外，照明控制系统还提供了特殊情况下的应急照明。 ( 4 ) 风机控制系统 因为隧道空间闭塞，尤其是对于中、长型公路隧道，空气在隧道内的流通 非常有限，加之一旦隧道内发生车辆堵塞情况，所有车辆排出的尾气将对隧道 内的空气形成再度污染，这严重的影响了驾驶员在隧道内的行车环境，也成为 诱发交通事故的原因之一，因此需要在隧道内定时开启风机，并根据风速风向 的检测结果，控制风机的转动方向，保障隧道内空气流通，及时改善隧道环境。 ( 5 ) c o n i 检测系统 c o n i 检测系统是隧道环境管理中非常重要的一个系统，其职责是实时关注 隧道内环境情况，及时采集隧道现场的环境数据。这其中c o 指的是一氧化碳浓 度，v i 指的是能见度，这两个指标都是通过c o v i 检测器采集到的。通过该系 统可以将隧道内最新的环境参数显示出来，并且在系统内设置环境安全阀值， 一旦出现异常就会自动产生报警信息，同时自动开启风机，调节隧道内环境。 ( 6 ) 火灾报警系统 隧道发生火灾具有不可预测性，隧道监控室的负责人员需要在火灾发生时 尽快地得到事故现场传回的报警信号，以便迅速作出反应，及时进行灭火处理， 保障人员生命安全，减少火灾带来的危害影响。火灾报警系统的目的就是通过 隧道现场的火灾检测装置判断是否发生火灾，然后响应火灾报警，并及时将报 警信号向消防单位发出，为隧道尽快消除火灾影响争取足够多的时间。 ( 7 ) 水泵监控系统 公路隧道其所处的地理位置决定了公路隧道多是低地势路段，因此隧道积 水的问题不容回避，特别是雨水很大的时候，如果不能及时进行抽排水，积水 很快会淹